Una nanoestructura formada por plata y una capa semiconductora ultrafina puede transformarse en un espejo de conmutación rápida; en principio, un transistor óptico que conmuta unas 10.000 veces más rápido que su equivalente electrónico. Este efecto es descrito por un equipo internacional liderado por el físico Prof. Dr. Christoph Lienau, de la Universidad de Oldenburg, en la edición actual de la revista Nature Nanotechnology. Según informan los investigadores, estos interruptores de luz ultrarrápidos son de especial interés para el procesamiento óptico de datos.
El objetivo del equipo era encontrar un material cuyas propiedades reflectantes pudieran modificarse de forma específica, es decir, “conmutarse”, mediante un láser en un periodo de apenas unos pocos femtosegundos. Un femtosegundo equivale a una millonésima de una milmillonésima de segundo. Para el estudio, los investigadores utilizaron una fina placa de plata, en cuya superficie fresaron una rejilla de ranuras paralelas de unos 45 nanómetros (milmillonésimas de metro) de ancho y profundidad. Investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) aplicaron sobre ella una capa semiconductora extremadamente delgada. La película del material semiconductor, disulfuro de tungsteno, estaba compuesta por una sola monocapa del cristal, es decir, tenía un grosor de apenas tres diámetros atómicos.
Nanoestructura con una reacción inusual a la luz
Gracias a esta combinación, la nanoestructura mostró una reacción inusual a la luz. “Ninguno de los dos materiales por sí solo presenta un efecto de conmutación”, subraya Lienau. Sin embargo, al combinarse en una nanoestructura, ambos materiales reaccionan de una forma completamente nueva, razón por la cual los investigadores los denominan un metamaterial activo. La luz incidente puede almacenarse en la superficie de la nanoestructura durante unos 70 femtosegundos en forma de un estado cuántico especial, denominado polaritón excitón-plasmón, antes de ser reflejada.
En este estado, que posee propiedades tanto de la luz como de la materia, la luz se propaga a lo largo de la superficie de la capa semiconductora en forma de las llamadas ondas plasmónicas. Durante este proceso, interactúa intensamente con los pares electrón-hueco de la capa semiconductora, conocidos como excitones.
“Durante este tiempo de almacenamiento, pudimos controlar de forma específica la reflectividad de la capa”, explica el Dr. Daniel Timmer, del Instituto de Física de Oldenburg, quien fue primer autor del estudio junto con el Dr. Moritz Gittinger. Los investigadores utilizaron un pulso láser externo para modificar la intensidad de la interacción entre los excitones y la onda plasmónica. En los primeros experimentos, el equipo logró modificar el brillo de la luz reflejada hasta en un 10 %, un valor sorprendentemente alto que probablemente pueda incrementarse optimizando el material.
Timmer y Gittinger investigaron el efecto mediante el método de espectroscopía electrónica bidimensional (2DES). Este método experimentalmente exigente permite observar procesos de interacción cuántica con una resolución temporal de apenas unos pocos femtosegundos, como si se tratara de una película. Recientemente, un equipo liderado por Lienau logró simplificar significativamente la aplicación de la 2DES, haciéndola utilizable para estudios posteriores. “En el presente trabajo, logramos por primera vez examinar un metamaterial de este tipo con pulsos de luz más cortos que el propio proceso de conmutación observado”, destaca Lienau. Esto permitió registrar las distintas etapas del fenómeno en intervalos de pocos femtosegundos.
Posibles aplicaciones: fabricación de chips, sensores y computadoras cuánticas
“Nuestros resultados son de gran interés para la realización de interruptores de luz ultrarrápidos a escala nanométrica”, enfatiza Lienau. Una posible aplicación es el procesamiento óptico de datos. “La cantidad de información que puede transmitirse por unidad de tiempo aumentaría drásticamente con este tipo de interruptores”, explica. A modo de comparación, el tiempo de conmutación de los transistores electrónicos, que se utilizan millones de veces en computadoras o televisores LED, es alrededor de mil veces mayor.
Desde un punto de vista físico, las tecnologías ópticas son, por tanto, la única vía para seguir aumentando la frecuencia de reloj de las computadoras convencionales. Los nanointerruptores ópticos también podrían ofrecer interesantes posibilidades en la fabricación de chips, en sensores ópticos o en computadoras cuánticas. Lienau concluye: “La tarea más importante será diseñar, ajustar y optimizar metamateriales activos de tal forma que estas aplicaciones puedan hacerse realidad”.
Además del equipo de Oldenburg, en el estudio participaron investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), el Politécnico de Milán (Italia) y la Universidad Técnica de Berlín.
